CN111735535B - 三维聚焦阵列实时动态精密调控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维聚焦阵列实时动态精密调控装置，包括沿激光器的输出方向依次是线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔、透镜、分光棱镜、空间光调制器，根据需求预设聚焦阵列，设置与聚焦阵列关于空间光调制器成镜像对称的虚拟调制区域。利用虚拟调制区域生成的衍射场构造全息相位并加载到空间光调制器上对入射平面波的波前进行调制。使形成的聚焦阵列与预设聚焦阵列一致，并用成像系统记录。根据需求重新设定聚焦阵列，计算新的全息相位并加载到空间光调制器上形成新的聚焦阵列并记录，直到调控过程结束。本发明能够生成精密的聚焦阵列且可实现高实时性的动态调控。该装置的光路简单且便于调节。
Description
技术领域
本发明涉及三维聚焦阵列的调控技术，特别是一种能够实现聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径及能量均可实时动态精密调控的方法和一种结构简单的装置。
背景技术
对三维聚焦阵列的调控技术在粒子操纵、材料加工以及激光惯性约束核聚变的动聚焦等研究领域具有重要的应用。强聚焦光斑与物质相互作用时引起的梯度力或者产生的烧蚀等效应能够极大促进这些领域的发展。目前有多种技术手段能够实现聚焦阵列的动态调控，包括：基于机械偏转扫描或者声光调制器的分时复用、多光束干涉、广义相称以及计算全息等技术。利用液晶空间光调制器和成像装置组成的闭环反馈系统实现聚焦阵列的调控已成为目前的主流方法。
输入信号(全息图)的计算速度和反馈信号(聚焦阵列)的精度之间的矛盾是制约该方法进一步发展的瓶颈。传统的全息图设计方法包括直接方法以及迭代方法。直接方法计算全息图的速度快但生成聚焦阵列的精度低。迭代方法计算全息图的速度慢且需要结合高性能的计算设备，但是生成聚焦阵列的精度高。
为了实现焦斑能量的高度聚焦，传统的装置一般要在空间光调制器和聚焦阵列之间放置望远成像系统以及高数值孔径的物镜以形成傅里叶变换型的光路结构。该类型装置的缺点是光路复杂且调节困难。
发明内容
本发明旨在克服上述在先技术的不足，提供一种能够实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的装置和方法。本发明具有高实时性、高精度以及装置结构简单，便于调节的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种三维聚焦阵列实时动态精密调控装置，其特点在于，包括激光器、线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔、透镜、分光棱镜、空间光调制器、透镜、CCD以及计算机。所述的激光器的输出光依次经线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔和透镜入射到分光棱镜，经分光棱镜透射的光入射到空间光调制器，经空间光调制器调制的衍射光沿原路返回到分光棱镜，再经分光棱镜反射的光入射到透镜和CCD组成的成像系统上，所述的计算机分别与空间光调制器以及成像系统相连。
所述的线偏振片将所述的激光器发射激光的偏振方向调整到与所述的空间光调制器的液晶面板的长边平行，保证所述的空间光调制器的线性响应。
所述的衰减片将激光能量衰减以便于所述的成像系统对聚焦阵列进行记录。
所述的沿激光器输出方向的物镜、滤波小孔以及透镜将所述激光器的输出光滤波准直为平面波。该平面波垂直入射到空间光调制器的液晶面板上。
一种三维聚焦阵列实时动态精密调控方法，其特点在于包括下列步骤：
步骤1)根据需求预设聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布，且焦斑的等效半径小于50微米。
基于同轴相位全息的成像特性设置与预设的聚焦阵列关于空间光调制器成镜像对称的虚拟调制区域。
步骤2)利用虚拟调制区域生成的衍射场构造全息相位信号Θ∑：
步骤2.1)利用菲涅尔衍射积分方程计算虚拟调制区域形成的衍射场U(x2,y2)。用衍射场U(x2,y2)减去背景场UR得到调制场UO。以UR作为参考光，UO作为物光，计算强度调制度M，公式如下：
M＝[U0 *UR+U0UR *-min(U0 *UR+U0UR *)]/|UR|2.
式中，UR *和U0 *分别表示参考光的共轭项以及物光的共轭项，min(U0 *UR+U0UR *)表示U0 *UR+U0UR *的最小值。
步骤2.2)计算全息相位信号Θ∑：
式中，n＝0表示对聚焦阵列中所有焦斑的能量只进行等比例调控；n≥1表示对聚焦阵列中n个焦斑的能量进行独立调控，对聚焦阵列中其余焦斑的能量进行等比例调控，其中P1,P2,…,Pn是与n个焦斑对应的权重因子，M1,M2,…,Mn是与n个焦斑对应的强度调制度。
步骤3)将全息相位信号Θ∑加载到空间光调制器上。通过空间光调制器对入射平面波的波前进行调制，使衍射光波形成的聚焦阵列与预设聚焦阵列一致，并用成像系统记录聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布。
步骤4)根据需求重新设定聚焦阵列，重复步骤1)到步骤3)计算新的全息相位并加载到空间光调制器上形成新的聚焦阵列并记录，直到调控过程结束。
本发明的技术效果：
本发明与在先技术相比，主要有以下几方面的优点：
1.高实时性。本发明实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的方法和装置的原理是基于同轴相位全息的成像特性。不需要在全息相位信号与生成的聚焦阵列之间进行多次复杂的迭代运算。全息图的计算速度快，实时性高。
2.高精度。本发明实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的方法和装置生成的聚焦阵列中焦斑的等效半径小，背景干扰和各个焦斑之间的相互串扰弱，可生成高精度的聚焦阵列。
3.装置结构简单，便于调节。在先的技术方案为了实现焦斑能量的高度聚焦，一般要在空间光调制器和聚焦阵列之间放置望远成像系统以及高数值孔径的物镜以形成傅里叶变换型的光路结构。本发明实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的方法和装置利用的是同轴相位全息的成像特性，通过改变相位系数以及权重因子分别实现焦斑能量的等比例调控以及独立调控。不需要所述的望远成像系统以及高数值孔径的物镜，便于光路调节。
附图说明
图1是本发明三维聚焦阵列实时动态精密调控装置的结构示意图。
图2是本发明三维聚焦阵列实时动态精密调控方法的流程图。
图3是虚拟调制区域生成衍射场的示意图。
图4是传统的傅里叶变换型三维聚焦阵列生成装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明三维聚焦阵列实时动态精密调控装置的光路图。该光路包括激光器1、线偏振片2、衰减片3、物镜4、滤波小孔5、透镜6、分光棱镜7、空间光调制器8、透镜10、CCD11以及计算机12。所述的激光器1的输出光依次经线偏振片2、衰减片3、物镜4、滤波小孔5和透镜6入射到分光棱镜7。经分光棱镜7透射的光入射到空间光调制器8。经空间光调制器8调制的衍射光沿原路返回到分光棱镜7。再经分光棱镜7反射的光入射到透镜10和CCD11组成的成像系统上。所述的计算机12分别与空间光调制器以及成像系统相连。
实施例
所述的激光器1发射激光的波长是632.8nm。所述的空间光调制器8的型号是Holoeye公司生产的Pluto-VIS。液晶面板的尺寸为15.36mm×8.64mm。分辨率为1920×1080。像素尺寸为8μm。
所述的线偏振片2将所述的激光器1发射激光的偏振方向调整到与所述的空间光调制器8的液晶面板的长边平行，保证所述的空间光调制器8的线性响应。
所述的衰减片3将激光器1发出激光的能量衰减以便于所述的成像系统对聚焦阵列进行记录。
所述的沿激光器1输出方向的物镜4、滤波小孔5以及透镜6将所述激光器1的输出光滤波准直为平面波，平面波光束直径为25.4mm。该平面波垂直入射到空间光调制器8的液晶面板上。波前被所述的空间光调制器8调制。
本实施例实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的方法，其特点在于该方法具体包括下列步骤：
步骤1)根据需求预设聚焦阵列9中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布，且焦斑的等效半径小于50微米。
基于同轴相位全息的成像特性设置与预设的聚焦阵列9关于空间光调制器8成镜像对称的虚拟调制区域。
步骤2)如图2所示，以单个虚拟调制区域为例说明从虚拟调制区域生成衍射场以及最终全息相位Θ∑的过程。单个虚拟调制区域所在平面的透射函数为：
其中，τ和θ分别表示虚拟调制区域的振幅和相位。根据巴俾涅原理，t0的互补函数可写为t(x1,y1)＝1-t0(x1,y1)。输入光束表示为U(x1,y1)＝A·exp(ikz)。其中，A表示光场的振幅，k表示真空中的波矢，相应的波长为λ。令传输距离z＝d0，参考光UR和物光UO在(x2,y2)平面上相干叠加形成衍射场U(x2,y2)。基于菲涅尔衍射积分方程，U(x2,y2)可表示为
其中，UR＝Aexp(ikd0)。衍射场的强度分布可表示为
|U(x2,y2)|2＝|U0+UR|2＝|U0|2+|UR|2+U0 *UR+U0UR *. (3)
物光振幅要远小于参考光的振幅，即：|U0|＜＜|UR|。强度分布|U(x2,y2)|2由四项组成。U0 *UR对应虚拟调制区域的实像，U0UR *对应虚拟调制区域的虚像。虚像的衍射光波在像面呈现为微弱的背景光。U0UR *与U0 *UR互为共轭，这两项的和为实数。考虑到相位因子在[0,2π]区间内，强度调制度M可表示为
M＝[U0 *UR+U0UR *-min(U0 *UR+U0UR *)]/|UR|2. (4)
min(U0 *UR+U0UR *)表示U0 *UR+U0UR *的最小值。当要生成聚焦阵列时，强度调制度由多个虚拟调制区域的衍射场按上述过程计算得到。如图1所示，用权重因子乘以与单个能量需独立调控的焦斑对应的强度调制度，不需独立调控的则将对应的权重因子设为1。将该乘积与其余焦斑对应的强度调制度相加的和乘以相位系数G以构成全息相位Θ∑，即：
式中，n＝0表示对聚焦阵列中所有焦斑的能量只进行等比例调控；n≥1表示对聚焦阵列中n个焦斑的能量进行独立调控，对聚焦阵列中其余焦斑的能量进行等比例调控，其中P1,P2,…,Pn是与n个焦斑对应的权重因子，M1,M2,…,Mn是与n个焦斑对应的强度调制度。
步骤3)将全息相位信号Θ∑加载到空间光调制器8上。通过空间光调制器8对入射平面波的波前进行调制，使衍射光波形成的聚焦阵列与预设聚焦阵列9一致，并用成像系统记录聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布。
步骤4)根据需求重新设定聚焦阵列9，重复步骤1)到步骤3)计算新全息相位并加载到空间光调制器8上形成新的聚焦阵列并记录，直到调控过程结束。
为了实现焦斑能量的调控，本发明方法只需要改变相位系数G以及权重因子P即可实现焦斑能量的等比例调控以及独立调控。如图4所示，传统的方法为了实现焦斑能量的高度集中，需要利用透镜13和透镜14构成的望远成像系统将经空间光调制器8调制后的衍射光束缩束后耦合进物镜15，利用物镜15实现焦斑能量的聚焦。这种傅里叶变换型三维聚焦阵列生成装置光路复杂，调节困难。本发明的装置简单且便于调节。
实验结果显示本发明方法可生成精密的聚焦阵列，且可实现高实时性的动态调控。同时本发明装置的光路简单且便于调节。
本发明未阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和技术效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用三维聚焦阵列实时动态精密调控装置进行实时动态调控的方法，所述装置包括激光器(1)、线偏振片(2)、衰减片(3)、物镜(4)、滤波小孔(5)、透镜(6)、分光棱镜(7)、空间光调制器(8)、透镜(10)和CCD(11)构成的成像系统以及计算机(12)，所述的激光器(1)的输出光依次经线偏振片(2)、衰减片(3)、物镜(4)、滤波小孔(5)和透镜(6)入射到分光棱镜(7)，经分光棱镜(7)透射的光入射到空间光调制器(8)，经空间光调制器(8)调制的衍射光沿原路返回到分光棱镜(7)，再经分光棱镜(7)反射的光入射到成像系统上，所述的计算机(12)分别与空间光调制器(8)以及成像系统相连；其特征在于，该方法包括下列步骤：
步骤1)根据需求预设聚焦阵列(9)中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布，且焦斑的等效半径小于50微米；
基于同轴相位全息的成像特性设置与预设的聚焦阵列(9)关于空间光调制器(8)成镜像对称的虚拟调制区域；
步骤2)利用虚拟调制区域生成的衍射场构造全息相位信号ΘΣ：
步骤2.1)利用菲涅尔衍射积分方程计算虚拟调制区域形成的衍射场U(x2,y2)，用衍射场U(x2,y2)减去背景场UR得到调制场UO；以UR作为参考光，UO作为物光，计算强度调制度M，公式如下：
M＝[U0 *UR+U0UR *-min(U0 *UR+U0UR *)]/|UR|2.
式中，UR *和U0 *分别表示参考光的共轭项以及物光的共轭项，min(U0 *UR+U0UR *)表示U0 *UR+U0UR *的最小值；
步骤2.2)计算全息相位信号ΘΣ：
式中，n＝0表示对聚焦阵列中所有焦斑的能量只进行等比例调控；n≥1表示对聚焦阵列中n个焦斑的能量进行独立调控，对聚焦阵列中其余焦斑的能量进行等比例调控，其中P1,P2,…,Pn是与n个焦斑对应的权重因子，M1,M2,…,Mn是与n个焦斑对应的强度调制度；
步骤3)将全息相位信号ΘΣ加载到空间光调制器(8)上，通过空间光调制器(8)对入射平面波的波前进行调制，使衍射光波形成的聚焦阵列与预设聚焦阵列(9)一致，并用成像系统记录聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布；
步骤4)根据需求重新设定聚焦阵列(9)，重复步骤1)到步骤3)计算新的全息相位并加载到空间光调制器(8)上形成新的聚焦阵列并记录，直到调控过程结束。
2.根据权利要求1所述的实时动态调控的方法，其特征在于，所述的线偏振片(2)将所述的激光器(1)输出光的偏振方向调整到与所述的空间光调制器(8)的液晶面板的长边平行，保证所述的空间光调制器(8)的线性响应。
3.根据权利要求1所述的实时动态调控的方法，其特征在于，所述的衰减片(3)将所述的激光器(1)输出光的能量衰减，以便于所述的成像系统对聚焦阵列(9)进行记录。
4.根据权利要求1所述的实时动态调控的方法，其特征在于，通过调节所述的物镜(4)、滤波小孔(5)和透镜(6)将所述的激光器(1)的输出光滤波准直为平面波，该平面波垂直入射到空间光调制器(8)的液晶面板上。
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